生態(tài)護(hù)岸工程設(shè)計中若干關(guān)鍵問題的復(fù)核

嚴(yán) 飛，鄔顯晨

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 問題的提出

隨著經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快，城市河道、堤防建設(shè)不僅要使堤岸發(fā)揮出水利工程的功效，而且要融入城市景觀、生態(tài)環(huán)保等多種內(nèi)容。傳統(tǒng)的漿砌塊石擋墻、鋼筋混凝土擋墻將整個河岸表面封閉起來，隔絕了土壤與水體之間的物質(zhì)交換，在不同程度上對景觀、環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生不良的影響，與“人水和諧”的理念相去甚遠(yuǎn)。因此，近年來強(qiáng)調(diào)“生態(tài)、自然、景觀”的生態(tài)護(hù)岸工程應(yīng)運(yùn)而生，為水利工程與自然環(huán)境的和諧共處發(fā)揮了重要的作用。

目前生態(tài)護(hù)岸種類繁多、各有特色，由于河道水流運(yùn)動的復(fù)雜性和護(hù)岸材料自身的特點(diǎn)，生態(tài)護(hù)岸存在以下幾個突出的問題：

（1）生態(tài)護(hù)岸材料的生產(chǎn)廠家往往只注重產(chǎn)品的生態(tài)功能，忽視了護(hù)岸應(yīng)有的防洪功能，使得產(chǎn)品技術(shù)不能夠真正保障防洪安全；而現(xiàn)行的水利行業(yè)規(guī)范對生態(tài)護(hù)岸技術(shù)沒有相應(yīng)的條文進(jìn)行復(fù)核，使得生態(tài)護(hù)岸技術(shù)實(shí)際屬于無統(tǒng)一規(guī)范可循的局面。

（2）各種生態(tài)護(hù)岸都具有一定的局限性，應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)有的生態(tài)護(hù)岸技術(shù)進(jìn)行梳理、評價，以切實(shí)可行地應(yīng)用在不同的工程項(xiàng)目中。

本文在總結(jié)大量工程設(shè)計實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對生態(tài)護(hù)岸的特點(diǎn)，指出在設(shè)計中應(yīng)從行洪能力、抗沖、穩(wěn)定、反濾、防滲、材料選擇、細(xì)部構(gòu)造、工程管理等八個關(guān)鍵問題進(jìn)行復(fù)核，供相關(guān)工程參考。

2 生態(tài)護(hù)岸的定義與特點(diǎn)

生態(tài)護(hù)岸是指恢復(fù)后的自然河岸或具有自然河岸“可滲透性”的人工護(hù)岸。它擁有滲透性的自然河床與河岸基底，豐富的河流地貌，可以充分保證河岸與河流水體之間的水分交換河調(diào)節(jié)功能，同時具有足夠的抗洪強(qiáng)度。

生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有以下特點(diǎn)：

（1）柔韌性：能夠很好地適應(yīng)各種外力對岸坡的破壞，如地基土的凍脹隆起和融沉、冰排撞擊、靜冰壓力、地震等。

（2）整體性：可以抵御水流的沖刷，局部損壞不會造成整體失穩(wěn)。

（3）耐久性：具有較強(qiáng)的耐腐蝕、耐老化性能。

（4）透水性：河水與堤岸具有物質(zhì)能量交換．有利于生物的生存。

（5）生態(tài)景觀性：與自然景觀相互協(xié)調(diào)，與水域原有的生物群落融為一體。

（6）環(huán)保性：可以就地取材，也可廢物利用，無需開山炸石，破壞環(huán)境

（7）經(jīng)濟(jì)性：幾乎沒有歲修成本，長期經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（8）施工靈活性：汛期或非汛期均可方便地施工。

3 若干關(guān)鍵問題的復(fù)核

在生態(tài)護(hù)岸設(shè)計過程中，應(yīng)該充分認(rèn)識到生態(tài)護(hù)岸在設(shè)計階段有許多不同于傳統(tǒng)護(hù)岸的地方，必須根據(jù)生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，針對關(guān)鍵的問題區(qū)別分析。

3.1 行洪能力的復(fù)核

河道的糙率是影響河道行洪能力的重要因素。在生態(tài)護(hù)岸工程中，主要措施之一是在河道岸坡上合理引入植被，包括草本植物及木本植物等。但是較茂密的植被護(hù)坡會造成較高的水力糙率，從而直接影響到河道的行洪能力。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》GB50288-99 附錄E 渠道糙率表，流量大于20 m3/s 的的渠道，草被茂盛情況下糙率為0.025～0.0275；流量介于1 和20 m3/s 的的渠道，相應(yīng)情況下糙率達(dá)0.0275～0.03；流量小于1 m3/s 的渠道，相應(yīng)情況下糙率則達(dá)0.03～0.035，而采用傳統(tǒng)的漿砌塊石護(hù)岸的糙率為0.02～0.025，用鋼筋混凝土護(hù)岸的糙率僅為0.012～0.014。

根據(jù)綜合糙率計算公式可見，在流量一定、河道底部糙率一致的情況下，斷面窄而深的河道受護(hù)岸糙率影響非常大，從而相同流量下采用生態(tài)護(hù)岸應(yīng)當(dāng)較傳統(tǒng)護(hù)岸的計算水深高30%以上。因此在選擇生態(tài)護(hù)岸時，必須要充分考慮生態(tài)護(hù)岸糙率的影響，復(fù)核河道過流能力，避免大幅抬高河道水面線、降低河道的行洪能力的后果。

3.2 抗沖性能的復(fù)核

河道水流主要通過沖刷護(hù)坡、淘刷護(hù)腳和漫頂沖刷侵蝕護(hù)岸,以下幾種情況均可引起護(hù)岸迎水側(cè)護(hù)坡發(fā)生水流沖刷：一是河道拐彎時形成的水沖部位，直接遭受水流沖刷；二是河流蛇行彎曲時由于離心力作用所產(chǎn)生的橫向環(huán)流對凹岸迎水側(cè)護(hù)坡產(chǎn)生沖刷；三是在直線河段護(hù)岸不連續(xù)的部位或河床沉積物有變化的部位，由于流沙的非平衡狀態(tài)出現(xiàn)而發(fā)生水流沖刷。河道在洪水期可能發(fā)生的流速，直接關(guān)系到生態(tài)護(hù)岸材料的選擇，根據(jù)目前的生態(tài)護(hù)岸材料的特點(diǎn)，可供參考的抗沖性能見表1。

根據(jù)表1 可見，在設(shè)計生態(tài)護(hù)岸時，需根據(jù)計算流速，針對各類生態(tài)護(hù)岸的抗沖能力進(jìn)行復(fù)核，保證護(hù)岸的整體性。

3.3 整體穩(wěn)定的復(fù)核

3.3.1 設(shè)計穩(wěn)定安全系數(shù)

在進(jìn)行生態(tài)擋墻整體穩(wěn)定復(fù)核時，應(yīng)注意絕大部分生態(tài)擋墻屬于加筋土擋墻。常規(guī)擋墻的穩(wěn)定安全系數(shù)是根據(jù)擋墻的重要性確定級別，然后再選取相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)，但根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》（SL 379-2007），對于加筋土擋墻而言，不論擋墻級別，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合均不得小于1.4,特殊工況不小于1.3；抗傾覆穩(wěn)定基本組合安全系數(shù)不小于1.50,特殊工況不小于1.4;加筋體抗拔安全系數(shù)不小于2.0；由此可見，在規(guī)范中已注意到了加筋土擋墻在運(yùn)行中存在的安全問題，對結(jié)構(gòu)的安全可靠度提高了要求，這也是生態(tài)擋墻設(shè)計中必須注意的問題。

3.3.2 水位驟降工況下的穩(wěn)定設(shè)計計算

在河道水位驟降的情況下，當(dāng)河道擋墻墻前水位下降速度超過墻后排水速度時，各項(xiàng)計算指標(biāo)的安全系數(shù)隨著墻前后水頭差的增大而減小，當(dāng)墻后水位降到一定值時，安全系數(shù)為最??；但在此以后，隨著墻前水位進(jìn)一步下降，墻體浮托力相應(yīng)減小，同時墻后的水土壓力也有一定程度的減小，擋墻的穩(wěn)定安全系數(shù)又有所增大，即穩(wěn)定安全系數(shù)為一個曲線變化過程。

在常規(guī)的擋墻設(shè)計中，為降低墻后水土壓力，通常會設(shè)置泄水孔，在水位驟降工況下，穩(wěn)定計算中墻前、后水位組合較為明確。生態(tài)護(hù)岸盡管應(yīng)該具有良好的透水性，但是在實(shí)際應(yīng)用中，各類生態(tài)護(hù)岸的透水性能相差較大，有的生態(tài)護(hù)岸甚至與漿砌塊石護(hù)岸的透水性相當(dāng)，如此時假定墻后水位能夠隨墻前水位同步下降，則會得出不正確的穩(wěn)定安全系數(shù)，給工程安全帶來嚴(yán)重的隱患，因此必須要針對不同生態(tài)護(hù)岸自身排水的特點(diǎn)合理確定水位驟降工況下的墻前后水位組合，才能保證穩(wěn)定計算的合理性。

表1 抗沖性能表

3.4 排水反濾效能的復(fù)核

生態(tài)護(hù)岸需要能夠及時排出墻后的地下水，以降低土水壓力對生態(tài)護(hù)岸的影響，此時反濾應(yīng)充分發(fā)揮作用。盡管目前許多生態(tài)護(hù)岸產(chǎn)品認(rèn)為自身能夠排水，但為安全起見，建議應(yīng)當(dāng)針對生態(tài)護(hù)岸的排水反濾能力充分復(fù)核，在護(hù)岸土質(zhì)較差、排水反濾能力不足的生態(tài)護(hù)岸工程中，可考慮設(shè)置不小于20 cm 的碎石反濾層,并采用無紡?fù)凉げ间亯|，以提高排水反濾的可靠性。

3.5 防滲效能的復(fù)核

生態(tài)護(hù)岸的回填土材料是主要的防滲體，土體穩(wěn)定、密實(shí)是護(hù)岸穩(wěn)定的基礎(chǔ)。在設(shè)計文件中，通常要求墻后回填土采用素土回填，且壓實(shí)度不小于90%。但在實(shí)際施工中，往往由于墻后的作業(yè)面狹窄，大型壓實(shí)設(shè)備難以發(fā)揮作用，小型設(shè)備夯實(shí)效果不佳，造成土體不夠密實(shí)，墻后土體后期沉降較大，抗?jié)B效果難以保證。因此，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)，充分復(fù)核墻后土體的防滲能力。建議在不影響綠化種植效果的前提下，在回填土的適當(dāng)位置摻加6%～8%的石灰或水泥，提高土體性能，增強(qiáng)土體防滲能力，減小回填土沉降及增強(qiáng)土體與護(hù)岸的結(jié)合。

3.6 生態(tài)材料選擇的復(fù)核

3.6.1 三維土工網(wǎng)墊材料

在土工合成材料生態(tài)護(hù)岸工程中，三維土工網(wǎng)墊由于結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷受到廣泛的應(yīng)用，見圖1。但目前各種三維土工網(wǎng)墊在實(shí)際工程應(yīng)用后，由于廠家施工工藝、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不同，實(shí)際使用效果相差非常大。采用多次成型工藝的土工網(wǎng)墊，整體性能一般，難以經(jīng)受水流的反復(fù)沖刷；同時，許多材料防老化功能較差，使用壽命短則幾個月，多則一兩年。材料老化后網(wǎng)墊功能形同虛設(shè)，固土抗沖則完全依靠生態(tài)植被，鋪設(shè)在水位變動區(qū)一段時間后，網(wǎng)墊破損、水土流失的情況較為普遍。

圖1 普通PE 三維網(wǎng)墊

近年來，歐洲的水土保護(hù)毯由國內(nèi)商家引入并逐步推廣，其材質(zhì)以高質(zhì)量聚酰胺（PA6）為原料，耐紫外線、耐化學(xué)攻擊，經(jīng)歐洲權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測其耐久性可達(dá)百年。通過歐盟環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)論證，可應(yīng)用于飲用水庫；生產(chǎn)工藝采用干拉法一次成型，不通過水冷卻，產(chǎn)品柔韌性好；單絲三維立體結(jié)構(gòu)，植被根系與水土保護(hù)毯的三維立體結(jié)構(gòu)互相纏繞，形成密集的加筋體系，能有效固土，整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性高。經(jīng)實(shí)際證明，該種產(chǎn)品能夠完全替代鋪設(shè)在水位變動區(qū)的硬質(zhì)護(hù)坡材料，能夠耐受至少5 m/s以下的水流沖刷作用，其中的A20 水土保護(hù)毯甚至可抗擊7 m/s 的流速，作為一種新型柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)具有較明顯的生態(tài)環(huán)保和造價優(yōu)勢，見圖2。

圖2 水土保護(hù)毯

因此在選擇三維土工網(wǎng)墊類生態(tài)護(hù)坡時，應(yīng)當(dāng)了解、復(fù)核相關(guān)的材料及工藝特點(diǎn)后再確定采用何種產(chǎn)品。

3.6.2 生態(tài)袋材料

生態(tài)袋護(hù)坡系統(tǒng)通過將裝滿植物生長基質(zhì)的生態(tài)袋沿邊坡表面層層堆疊的方式在邊坡表面形成一層適宜植物生長的環(huán)境，同時通過連接配件將袋與袋之間，層與層之間，生態(tài)袋與邊坡表面之間完全緊密的結(jié)合起來，達(dá)到牢固的護(hù)坡作用，同時隨之植物在其上的生長，進(jìn)一步的將邊坡固定然后在堆疊好的袋面采用綠化手段播種或栽植植物，達(dá)到恢復(fù)植被的目的。生態(tài)袋是由聚丙烯（PP）或者聚酯纖維（PET）為原材料制成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的袋子。在實(shí)際應(yīng)用中通常遇到的問題如下：（1）袋布孔徑太大，袋體，材料過薄，造成袋裝物質(zhì)量遭雨水、流水沖刷時會大量流失，造成單位重量大大減小，原力學(xué)設(shè)計值發(fā)生較大變化，力學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞，造成坍塌。（2）袋布孔徑太小，袋體材料過厚，會對植被生長與根系延伸的形成阻礙，嚴(yán)重影響柔性邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時透水能力降低．大量水份滲入時，其單位重量大大增強(qiáng)．使原受力結(jié)構(gòu)數(shù)值增大，增加邊坡靜水壓力，造成結(jié)構(gòu)變形，坡體坍塌。因此應(yīng)對生態(tài)袋的厚度、單位質(zhì)量、物理力學(xué)性能、外形、纖維類型、受力方式、方向、幾何尺寸和透水性能及滿足植物生長的等效孔徑等指標(biāo)，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格復(fù)核后確定。

3.6.3 加筋體材料

生態(tài)加筋土擋墻通常采用土工格柵作為加筋體材料，但由于土工格柵種類較多，不同類型的土工格柵用途大相徑庭，見圖3、圖4。注意在材料選取時，選擇玻璃纖維土工格柵時需要慎重。玻璃纖維土工格柵屬于織造土工織物，根據(jù)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB50290-98 第6.2.1 條，和《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》SL/T225-98 第7.5.3 條，筋材剛度模量不同，破裂面不同，纖維土工格柵屬于織造土工織物，破裂面屬于柔性筋式。因此需要特別注意，若設(shè)計時按剛性筋式的破裂面計算，施工時不得用纖維土工格柵。由于玻璃纖維的拉伸變形量很小，一般小于3%，顯示剛性，不適于允許一定變形的柔性結(jié)構(gòu)的加筋土擋墻。因此，必須慎重選用玻璃纖維土工格柵作為加筋體材料。

圖3 塑料土工格柵

圖4 玻璃纖維土工格柵

3.6.4 籠系結(jié)構(gòu)的鋼絲鍍層和構(gòu)造

石籠結(jié)構(gòu)由于整體性好、抗水流能力強(qiáng)在生態(tài)護(hù)岸中得到了廣泛應(yīng)用，石籠結(jié)構(gòu)的應(yīng)用成功與否，網(wǎng)籠材料的耐腐蝕性是關(guān)鍵。在設(shè)計時，須結(jié)合河道的水質(zhì)情況，分析地表、地下水水質(zhì)報告，復(fù)核網(wǎng)籠鋼絲的耐腐蝕性。網(wǎng)籠材料不同的鍍層決定了鋼絲的耐腐蝕壽命。經(jīng)試驗(yàn)表明，鋼絲隨著鍍層量的增加,耐腐蝕性能也增加，采用鍍鋅-10%鋁合金鋼絲的抗腐蝕性約為鍍鋅鋼絲的6～7 倍。因此，建議在水質(zhì)較差、腐蝕性強(qiáng)的河道工程中，建議選擇鍍鋅-10%鋁合金鋼絲，同時鋼絲鍍層最薄處不得小于45μm，鋼絲鍍層最厚處于最薄處的比值不得大于2；鋼絲在自身纏繞8 圈以上后，鋼絲表面在12 倍放大拍照后不得出現(xiàn)裂痕?；\系結(jié)構(gòu)可作駁岸擋墻選用，植物也能夠在石縫中生長，有一定的生態(tài)性。

3.7 細(xì)部構(gòu)造的復(fù)核

某些新型生態(tài)材料，在細(xì)部構(gòu)造設(shè)計上考慮不周密也是帶來工程安全隱患的因素之一。如在生態(tài)加筋擋墻設(shè)計中，加筋材料如何與砌塊連接、形成有效的加筋土擋墻受力體系是保證加筋土擋墻穩(wěn)定的關(guān)鍵。在某些加筋土擋墻產(chǎn)品中，砌塊棱角較為鋒利（見圖5），而加筋材料直接壓在擋墻砌塊下，當(dāng)土體發(fā)生沉降時，加筋材料隨土體一起沉降，而砌塊沉降量相對較小，從而加筋材料在沉降差的作用下很容易被砌塊的棱角所割破，造成連接的失效。因此應(yīng)復(fù)核加筋材料在與砌塊連接型式，建議采取反包回折、砌塊倒角、連接處增加土工布條等方式減小柔性材料與剛性材料之間的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高連接的可靠性。

圖5 砌塊鋒利的棱角

3.8 工程管理的復(fù)核

在設(shè)計階段，就需要充分注意到生態(tài)型護(hù)岸工程建設(shè)完成后，工程管理的重要性。應(yīng)在工程管理設(shè)計章節(jié)，提出在工程建成后，進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)、制定監(jiān)測計劃的要求。尤其在工程完成后的第一年，重點(diǎn)對生態(tài)護(hù)岸監(jiān)測以下內(nèi)容：（1）植被是否有充分的成活率，滿足綠化生態(tài)的要求；（2）植被是否過于茂密，從而影響河道的防洪能力；（3）護(hù)坡是否完整，三維土工網(wǎng)墊、生態(tài)袋應(yīng)注意其土工材料是否老化；網(wǎng)籠結(jié)構(gòu)生態(tài)護(hù)岸，石籠護(hù)坡采用的鍍鋅鋼絲，易于成為拾荒、偷盜者關(guān)注的對象，一旦網(wǎng)籠被割破損失，將嚴(yán)重削弱護(hù)坡的整體抗沖能力。因此生態(tài)護(hù)岸工程建成后，必須加強(qiáng)管理、巡視，做好宣傳，避免護(hù)坡材料被人為破壞。

4 結(jié)語

在強(qiáng)調(diào)“人水和諧”的今天，生態(tài)護(hù)岸的應(yīng)用將越來越廣泛，更多新型的生態(tài)護(hù)岸將不斷涌現(xiàn)，用在更多的工程中。為使生態(tài)護(hù)岸更好地服務(wù)于水利工程，本文在總結(jié)大量工程設(shè)計實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了在生態(tài)護(hù)岸工程中若干關(guān)鍵問題的復(fù)核要求，通過對以上各方面關(guān)鍵問題的嚴(yán)格控制，能夠較好地避免應(yīng)用時考慮不足的情況，以供相應(yīng)工程參考。

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